L'utilisation des accélérateurs reconfigurables, pour la conception de system-on-chip hétérogènes, offre des possibilités intéressantes d'augmentation des performances et de réduction de la consommation d'énergie. En effet, ces accélérateurs sont couramment utilisés en complément d'un (ou de plusieurs) processeur(s) pour permettre de décharger celui-ci (ceux-ci) des calculs intensifs et des traitements de flots de données. Le concept de reconfiguration dynamique, supporté par certains constructeurs de FPGA, permet d'envisager des systèmes beaucoup plus flexibles en offrant notamment la possibilité de séquencer temporellement l'exécution de blocs de calcul sur la même surface de silicium, réduisant alors les besoins en ressources d'exécution. Cependant, la reconfiguration dynamique n'est pas sans impact sur les performances globales du système et il est difficile d'estimer la répercussion des décisions de configuration sur la consommation d'énergie. L'objectif principal de cette thèse consiste à proposer une méthodologie d'exploration permettant d'évaluer l'impact des choix d'implémentation des différentes tâches d'une application sur un system-on-chip contenant une ressource reconfigurable dynamiquement, en vue d'optimiser la consommation d'énergie ou le temps d'exécution. Pour cela, nous avons établi des modèles de consommation des composants reconfigurables, en particulier les FPGAs, qui permettent d'aider le concepteur dans son design. À l'aide d'une méthodologie de mesure sur Virtex-5, nous montrons dans un premier temps qu'il est possible de générer des accélérateurs matériels de tailles variées ayant des performances temporelles et énergétiques diverses. Puis, afin de quantifier les coûts d'implémentation de ces accélérateurs, nous construisons trois modèles de consommation de la reconfiguration dynamique partielle. Finalement, à partir des modèles définis et des accélérateurs produits, nous développons un algorithme d'exploration des solutions d'implémentation pour un système complet. En s'appuyant sur une plate-forme de modélisation à haut niveau, celui-ci analyse les coûts d'implémentation des tâches et leur exécution sur les différentes ressources disponibles (processeur ou région configurable). Les solutions offrant les meilleures performances en fonction des contraintes de conception sont retenues pour être exploitées. / The use of reconfigurable accelerators when designing heterogeneous system-on-chip has the potential to increase performance and reduce energy consumption. Indeed, these accelerators are commonly a adjunct to one (or more) processor(s) and unload intensive computations and treatments. The concept of dynamic reconfiguration, supported by some FPGA vendors, allows to consider more flexible systems including the ability to sequence the execution of accelerators on the same silicon area, while reducing resource requirements. However, dynamic reconfiguration may impact overall system performance and it is hard to estimate the impact of configuration decisions on energy consumption.. The main objective of this thesis is to provide an exploration methodology to assess the impact of implementation choices of tasks of an application on a system-on-chip containing a dynamically reconfigurable resource, to optimize the energy consumption or the processing time. Therefore, we have established consumption models of reconfigurable components, particularly FPGAs, which assists the designer. Using a measurement methodology on Virtex-5, we first show the possibility to generate hardware accelerators of various sizes, execution time and energy consumption. Then, in order to quantify the implementation costs of these accelerators, we build three power models of the dynamic and partial reconfiguration. Finally, from these models, we develop an algorithm for the exploration of implementation and allocation possibilities for a complete system. Based on a high-level modeling platform, the implementation costs of the tasks and their performance on various resources (CPU or reconfigurable region) are analyzed. The solutions with the best characteristics, based on design constraints, are extracted.

On propose une nouvelle approche pour l'optimisation des PLA (réseaux logiques programmes ou programmables) par des méthodes heuristiques réalisant le compactage des matrices ou plans et-ou par une permutation préalable des monômes (ou termes produits) et par brisure de lignes d'entrée-sortie en segments, dits internes, afin de les réorganiser en un nombre réduit de niveaux. Diverses stratégies d'optimisation des circuits VLSI (transparence, déformabilite, connectabilite des blocs) et certaines contraintes influencent les techniques proposées. La nouvelle approche permet l'automatisation du dessin des masques de PLA optimisés en introduisant une nouvelle notion de cellule algorithmique. L'optimisation électrique et géométrique des matrices, des amplificateurs d'entrée, de sortie et d'interface, améliore les performances des PLA tout en gardant leur structure optimisée. Cet ensemble de propositions est la base du système PAOLA, outil de conception assistée testé sur des circuits de complexité d'environ 10 k avec un temps de traitement d'environ 7 minutes pour une réduction de surface de 50%.

Les capacités d'auto-reconfiguration des architectures FPGA modernes ouvrent la voie à des applications dynamiques capables d'adapter leur fonctionnement pour répondre à des évènements ponctuels. Les flots de reconfiguration des architectures commerciales sont aujourd'hui aboutis mais limités par des contraintes inhérentes à la complexité de ces circuits. Dans cette thèse, plusieurs contributions sont avancées afin de proposer une architecture FPGA reconfigurable permettant le placement dynamique de tâches matérielles. Dans un premier temps, une représentation intermédiaire des données de configuration de ces tâches, indépendante de leur positionnement final, est présentée. Cette représentation permet notamment d'atteindre des taux de compression allant jusqu'à 11x par rapport à la représentation brute d'une tâche. Un flot de conception basé sur des outils de l'état de l'art accompagne cette représentation et génère des tâches relogeables à partir d'une description haut-niveau. Ensuite, le comportement en ligne de ce mécanisme est étudié. Deux algorithmes permettant le décodage de ces tâches et la génération en temps-réel des données de configuration propres à l'architectures son décrits. Par ailleurs, une amélioration du réseau d'interconnexion d'une architecture FPGA est proposée pour accroître la flexibilité du placement de tâches hétérogènes, avec une augmentation de 10% en moyenne du délai du chemin critique. Enfin, une alternative programmable aux mémoires de configuration de ces circuits est étudiée pour faciliter leur reconfiguration partielle. / The self-reconfiguration capabilities of modern FPGA architectures pave the way for dynamic applications able to adapt to transient events. The CAD flows of modern architectures are nowadays mature but limited by the constraints induced by the complexity of FPGA circuits. In this thesis, multiple contributions are developed to propose an FPGA architecture supporting the dynamic placement of hardware tasks. First, an intermediate representation of these tasks configuration data, independent from their final position, is presented. This representation allows to compress the task data up to 11x with regard to its conventional raw counterpart. An accompanying CAD flow, based on state-of-the-art tools, is proposed to generate relocatable tasks from a high-level description. Then, the online behavior of this mechanism is studied. Two algorithms allowing to decode and create in real-time the conventional bit-stream are described. In addition, an enhancement of the FPGA interconnection network is proposedto increase the placement flexibility of heterogeneous tasks, at the cost of a 10% increase in average of the critical path delay. Eventually, a configurable substitute to the configuration memory found in FPGAs is studied to ease their partial reconfiguration.

Ce mémoire présente l'étude de faisabilité d'un simulateur numérique temps réel de convertisseur de puissance à pas multiple utilisant un circuit Field Programmable Gâte Array. Un faible pas de calcul est utilisé pour augmenter la précision de la simulation de l'électronique de puissance et des autres éléments hautes fréquences. La partie sans commutation du réseau étudié est simulée avec un pas de 50 us sur un PowerPC 405D5. La partie rapide, le convertisseur et la modulation de la largeur d'impulsion, utilise un pas de calcul de 5 \xs et est simulée par un circuit FPGA dédié. Le tout est réalisé dans un Virtex II Pro VP30 de Xilinx. Les résultats obtenus avec ce simulateur sont présentés et validés à l'aide de SimPowerSystems (MATLAB). L'effet du découplage entre la partie 50 u,s et la partie 5 p,s est observé. L'ajout d'éléments réactifs aux points de découplage permet de réduire cet effet.

Ce mémoire est consacré à la description détaillée d’une couche physique implémentée sur une plateforme FPGA. La couche physique intègre plusieurs des technologies présentes dans les standards de télécommunication de dernière génération. Tout d’abord, un survol des technologies OFDM et MIMO est effectué puisque que ces deux technologies sont d’une grande importance dans les télécommunications d’aujourd’hui. Par la suite, une description du matériel utilisé pour tester le bon fonctionnement de la couche physique est effectuée. Une bonne partie du mémoire sera consacrée à la description de la couche physique déployée. Un schéma-bloc détaillé de cette dernière est présenté. La couche physique est divisée principalement en deux parties : le transmetteur et le récepteur. Au niveau du transmetteur, la structure du paquet généré sera présentée ainsi que les différents symboles d’acquisition et d’estimation de canal. Du côté du récepteur, nous nous attarderons aux algorithmes mis en œuvres afin d’effectuer le décodage d’un paquet. L’algorithme de contrôle de gain automatique, l’estimateur de déviation fréquentiel de la porteuse, le détecteur de début de paquet et l’estimateur de canal seront présentés. Enfin, des courbes démontrant le taux d’erreurs de bit dans du bruit blanc gaussien additif seront présentées et comparées avec les courbes théoriques. Une discussion sur les résultats suivra ainsi qu’une liste de suggestions afin de porter plus loin la couche physique. / This report is focused on a detailed description of a physical layer implemented on an FPGA platform. The physical layer integrates many of the up to date technologies used in the latest generation telecommunication standards. First of all, an overview of the OFDM and MIMO technologies is presented since both technologies are very important in today’s telecommunications. Thereafter, there is a description of the hardware used to test the proper functioning of the physical layer. The major part of this report is aimed toward the description of the physical layer itself. A detailed block diagram of the latter is presented. The physical layer is divided in two main sections: the transmitter and the receiver. Regarding the transmitter, the structure of the generated packet is presented together with the acquisition and channel estimation symbols. On the receiver side, we will focus on the implemented algorithms to decode a packet. The automatic gain control algorithm, the carrier frequency offset estimator, the block boundary detector and the channel estimator are detailed. Finally, binary error rate curves in an additive white Gaussian noise channel will be presented and compared to theoretical curves. A discussion about the obtained results will follow as well as a list of the future improvements which could be made to take the physical layer further.

L'utilisation des accélérateurs reconfigurables, pour la conception de system-on-chip hétérogènes, offre des possibilités intéressantes d'augmentation des performances et de réduction de la consommation d'énergie. En effet, ces accélérateurs sont couramment utilisés en complément d'un (ou de plusieurs) processeur(s) pour permettre de décharger celui-ci (ceux-ci) des calculs intensifs et des traitements de flots de données. Le concept de reconfiguration dynamique, supporté par certains constructeurs de FPGA, permet d'envisager des systèmes beaucoup plus flexibles en offrant notamment la possibilité de séquencer temporellement l'exécution de blocs de calcul sur la même surface de silicium, réduisant alors les besoins en ressources d'exécution. Cependant, la reconfiguration dynamique n'est pas sans impact sur les performances globales du système et il est difficile d'estimer la répercussion des décisions de configuration sur la consommation d'énergie. L'objectif principal de cette thèse consiste à proposer une méthodologie d'exploration permettant d'évaluer l'impact des choix d'implémentation des différentes tâches d'une application sur un system-on-chip contenant une ressource reconfigurable dynamiquement, en vue d'optimiser la consommation d'énergie ou le temps d'exécution. Pour cela, nous avons établi des modèles de consommation des composants reconfigurables, en particulier les FPGAs, qui permettent d'aider le concepteur dans son design. À l'aide d'une méthodologie de mesure sur Virtex-5, nous montrons dans un premier temps qu'il est possible de générer des accélérateurs matériels de tailles variées ayant des performances temporelles et énergétiques diverses. Puis, afin de quantifier les coûts d'implémentation de ces accélérateurs, nous construisons trois modèles de consommation de la reconfiguration dynamique partielle. Finalement, à partir des modèles définis et des accélérateurs produits, nous développons un algorithme d'exploration des solutions d'implémentation pour un système complet. En s'appuyant sur une plate-forme de modélisation à haut niveau, celui-ci analyse les coûts d'implémentation des tâches et leur exécution sur les différentes ressources disponibles (processeur ou région configurable). Les solutions offrant les meilleures performances en fonction des contraintes de conception sont retenues pour être exploitées.

Les filtres non-linéaires de rang sont souvent utilisés dans le but de rehausser la qualité d'une image numérique. Leur application permet de faciliter l'interprétation visuelle et la compréhension du contenu des images que ce soit pour un opérateur humain ou pour un traitement automatique ultérieur. Dans le pipeline d'une chaîne habituelle de traitement des images, ces filtres sont appliqués généralement dans la phase de pré-traitement, juste après l'acquisition et avant le traitement et l'analyse d'image proprement dit.<p>Les filtres de rang sont considérés comme un important goulot d'étranglement dans la chaîne de traitement, à cause du tri des pixels dans chaque voisinage, à effectuer pour tout pixel de l'image. Les temps de calcul augmentent de façon significative avec la taille de l'image à traiter, la taille du voisinage considéré et lorsque le rang approche la médiane.<p>Cette thèse propose deux solutions à l'accélération du temps de traitement des filtres de rang.<p>La première solution vise l'exploitation des différents niveaux de parallélisme des ordinateurs personnels d'aujourd'hui, notamment le parallélisme de données et le parallélisme inter-processeurs. Une telle approche présente un facteur d'accélération de l'ordre de 10 par rapport à une approche classique qui fait abstraction du matériel grâce aux compilateurs des langages évolués. Si le débit résultant des pixels traités, de l'ordre d'une dizaine de millions de pixels par seconde, permet de travailler en temps réel avec des applications vidéo, peu de temps reste pour d'autres traitements dans la chaîne.<p>La deuxième solution proposée est basée sur le concept de calcul reconfigurable et réalisée à l'aide des circuits FPGA (Field Programmable Gate Array). Le système décrit combine les algorithmes de type bit-série et la haute densité des circuits FPGA actuels. Il en résulte un système de traitement hautement parallèle, impliquant des centaines d'unités de traitement par circuit FPGA et permet d'arriver à un facteur d'accélération supplémentaire de l'ordre de 10 par rapport à la première solution présentée. Un tel système, inséré entre une source d'image numérique et un système hôte, effectue le calcul des filtres de rang avec un débit de l'ordre de centaine de millions de pixels par seconde. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished